Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера

Кащавцев, Евгений Олегович

Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Кащавцев, Евгений Олегович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера»

Автореферат диссертации на тему "Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера"

005057335

На правах рукописи

КАЩАВЦЕВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ, ПРИ МИКРО- И НАНОСМЕЩЕНИЯХ ПО АВТОДИННОМУ СИГНАЛУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА

01.04.21 - лазерная физика 03.01.02 — биофизика

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 3 ДЕК 2012

Саратов - 2012

005057335

Работа выполнена на кафедре медицинской физики Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского

Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор Усанов Дмитрий Александрович

доктор физико-математических наук, профессор Скрипаль Анатолий Владимирович.

Официальные онпоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ульянов Сергей Сергеевич, кафедра оптики и биофотоники Саратовского государственного университета имени Н.Г.Чернышевского, профессор;

доктор физико-математических наук, профессор Горбатенко Борис Борисович, кафедра «Физика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., профессор

Ведущая организация: Саратовский филиал Института радиотехники

и электроники Российской академии наук, (СФ ИРЭ РАН), г. Саратов

Защита диссертации состоится ^декабря 2012 г. в час. Сс\тн. на заседании диссертационного совета Д.212.243.05 по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, III корпус, ауд. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке СГУ имени В.А. Артисевич

Автореферат разослан ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дербов В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Для измерения параметров движений объектов при микро и наносмещениях широкое распространение получили методы, основанные на использовании авто-динного эффекта в полупроводниковых лазерах.

Важным параметром при проведении измерений характеристик движений объекта с использованием лазерной автодинной системы является уровень внешней оптической обратной связи. В автодинной системе часть излучения возвращается в активную область резонатора, при этом режим, при котором автодин-ный сигнал аналогичен интерференционному, возможен при уровнях обратной связи, меньших некоторого строго определенного значения. При увеличении уровня обратной связи происходит искажение автодинного сигнала, и он начинает отличаться от сигнала, продетектированного в интерференционной системе с развязкой от источника излучения.

Как было показано ранее, уровень внешней оптической обратной связи оказывает существенное влияние на форму автодинного сигнала и, как результат, на точность определения параметров движения отражателя.

Обычно предполагается, что реализуются условия, когда уровень обратной связи мал. На практике эти условия не всегда могут выполняться, например, при высоком коэффициенте отражения поверхности объекта, параметры движения которого измеряются.

В ряде случаев для определения параметров микровибраций отражателя влиянием внешней оптической обратной связи можно пренебречь. Однако при определении амплитуды нановибраций анализ влияния на результат измерений ранее не проводился. При этом известные методы определения уровня внешней оптической обратной связи при измерениях амплитуды нановибраций не могут быть применены из-за существенного отличия в форме автодинного сигнала. В связи с этим представляет интерес разработка метода определения амплитуды нановибраций с учетом влияния внешней оптической обратной связи лазерного автодина.

Авторами ряда работ показана возможность использования полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме, для определения ускоренного движения объекта, совершающего микроперемещения, в предположении, что влиянием уровня внешней оптической обратной связи на результаты измерений можно пренебречь. При этом анализ влияния внешней оптической обратной связи на форму автодинного сигнала при ускоренном движении объекта, совершающего микроперемещения, ранее не проводился.

Полупроводниковый лазерный автодин может быть использован при изучении динамического состояния биологических объектов. С помощью лазерной автодинной системы различными авторами были проведены исследования биений сердца дафнии, измерение параметров движений барабанной перепонки, измерение внутриглазного давления, измерение микросмещений лучевой артерии человека.

В настоящее время актуальной остается задача измерения формы пульсовой волны с помощью полупроводникового лазерного автодина. Пульсовая волна не-

сет информацию о состоянии сердечно-сосудистой системы. Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы играет важную роль в адаптации организма к физическим нагрузкам и является одним из основных показателей предельных возможностей организма.

Известные контактные методы измерения формы пульсовой волны, такие как сфигмография, осциллометрический метод, могут вносить погрешность в результат измерений в силу контактного принципа измерения. Существующие бесконтактные интерференционные методы не обеспечивают простоту и достаточную точность измерений. Известны методы, в которых исследуется зависимость от времени изменения частоты доплеровского сигнала. При этом отмечалось, что по доплеровскому сигналу не удается определить направление смещения поверхности кожи, что затрудняет восстановление формы пульсовой волны.

В связи с этим актуальной для биофизики является задача по восстановлению формы движения отражателя, в качестве которого может выступать поверхность кожи над артерией человека, с учетом определения направления смещения и с использованием полупроводникового лазерного автодина, решение которой, в свою очередь, позволяет сделать вывод о состоянии сосудистой системы человека.

Вышесказанным в качестве актуальных задач, которые необходимо решить в диссертационной работе, позволяет сформулировать следующее:

1. Определение параметров внешней оптической обратной связи по автодин-ному сигналу полупроводникового лазера.

2. Разработка метода определения нанометровых амплитуд вибраций объекта по автодинному сигналу с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

3. Определение ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

4. Исследование возможности применения полупроводникового лазерного автодина для восстановления формы пульсовой волны лучевой артерии человека и оценки состояния сердечнососудистой системы.

На основании вышеизложенного была сформулирована цель диссертационной работы: исследование влияния внешней оптической обратной связи на результат определения параметров движений (вибрации с нанометровыми амплитудами; движения с изменяющимся во времени ускорением) отражающих, в том числе биологических, объектов при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера.

Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

1. Разработан метод определения амплитуды нановибраций объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера, позволяющий значительно повысить точность измерений вследствие учета уровня внешней оптической обратной связи.

2. Разработан метод определения изменяющегося во времени ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

3. Показана возможность восстановления функции движения отражателя, в качестве которого выступает поверхность кожи над лучевой артерией человека в области запястья, с учетом определения направления смещения и с использованием полупроводникового лазерного автодина.

4. Исследована возможность оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности организма человека по форме пульсовой волны.

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается строгостью используемых математических моделей, соответствием результатов численного и натурного экспериментов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением стандартной измерительной аппаратуры, высокой степенью автоматизации процесса регистрации экспериментальных данных, а также соответствием результатов, полученных в ходе определения параметров движения отражателя с помощью автодинной интерференционной системы.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработанный метод определения амплитуды нановибраций объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера позволяет значительно повысить точность измерений при учете уровня внешней оптической обратной связи.

2. Учет уровня внешней оптической обратной связи в автодинной системе позволяет повысить точность определения изменяющегося во времени ускорения при неравномерно ускоренных микроперемещениях объекта, определяемого из сравнения экспериментального и модельного автодинных сигналов полупроводникового лазера с применением метода наименьших квадратов.

3. Восстановление формы пульсовой волны лучевой артерии человека по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом направления смещения стенки артерии позволяет оценивать риск возникновения острой сосудистой недостаточности.

4. Предложенные методы определения параметров нановибраций и ускорения при нано- и микросмещениях могут найти применение, для диагностики характеристик движения отражающих объектов в биологии и медицине.

5. Полученные в диссертационной работе результаты использованы при выполнении НИР в рамках государственного задания ВУЗам на выполнение НИР («Биоинформационные технологии оценки состояния подсистем организма человека и биологических объектов», 2011. Государственный контракт № 16.740.11.0500. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г.; «Разработка научно-методического обеспечения скрининг диагностики функционального состояния обучающихся для выявления опасности развития коллапсоидальных осложнений на основе специализированных аппаратно-программных комплексов», 2009-2011. Государственный контракт № 2.2.3.3/6837. Аналитическая ведомственная целевая программа "Развитие научного потенциала высшей школы»),

6. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы будут использованы в учебном процессе для подготовки магистров, обучающихся по направлению «011200 Физика» (магистерской программе «Медицинская физи-

ка») по дисциплине «Оптические методы функциональной диагностики сердечнососудистой системы», изучаемой студентами дневного отделения факультета нано- и биомедицинских технологий Саратовского государственного университета имени Н.Г Чернышевского.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Амплитуда нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи может быть определена по величине первой гармоники спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение, соответствующее известной амплитуде вибраций и измеряемое при изменении амплитуды возбуждаемых дополнительно механических колебаний.

2. При неравномерно ускоренных микросмещениях объекта величина ускорения может быть определена из сравнения экспериментального и модельного, учитывающего уровень внешней оптической обратной связи, автодинных сигналов полупроводникового лазера с применением метода наименьших квадратов.

3. Форма пульсовой волны лучевой артерии человека может быть восстановлена по автодинному сигналу полупроводникового лазера, при этом определить направление смещения стенки лучевой артерии позволяет учет внешней оптической обратной связи.

4. Восстановленная форма пульсовой волны и измеренная вариабельность сердечного ритма характеризуют степень риска возникновения острой сосудистой недостаточности.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре медицинской физики Саратовского государственного университета в 2009-2012 годы. Основные положения и результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на:

—Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (г. Саратов, 2011-2012);

-VII Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов 2012);

-V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Троицк, Московская область, 2012);

- 10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques - AIVELA 2012 (Ancona, Italy, 2012);

-XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2012),

-Всероссийской молодежной конференции «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (г. Саратов, 2012);

-VI Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофо-тоника и нелинейная физика» (г. Саратов, 2012).

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, тезисы 6 докладов на всероссийских и международных конференциях.

Личное участие автора в этой работе выразилось в теоретической разработке и практической реализации метода определения амплитуды нановибраций

с учетом уровня внешней оптической обратной связи, теоретической разработке и практической реализации метода определения изменяющегося во времени ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи, применении полупроводникового лазерного автодина для определение формы пульсовой волны лучевой артерии человека по сигналу полупроводникового лазерного автодина, с возможностью использования полученных результатов для оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности, участии в формулировании научных положений и выводов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 100 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 134 наименования и изложен на _15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель диссертационной работы, определена новизна исследований, обсуждена практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, изложено краткое содержание диссертации.

В первом разделе приведены результаты критического анализа исследований параметров движений объектов, в том числе биологических, с помощью лазерного автодина, приведен критический анализ метода автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах, рассмотрены лазерные автодинные методы для определения характеристик движения внешнего отражателя, влияние внешней оптической обратной связи в автодинной системе на низкочастотный спектр автодинного сигнала при вибрациях объекта и на точность определения параметров вибраций, проанализированы возможности автодинных методов измерения для исследования параметров движения биологических объектов.

Во втором разделе приведены результаты исследования влияния уровня внешней оптической обратной связи в автодинной системе на форму и спектр продетектированного сигнала, предложен метод определения уровня внешней оптической обратной связи при вибрациях внешнего отражателя.

Для теоретического анализа влияния обратной связи на форму автодинного сигнала полупроводникового лазера использована модель составного резонатора лазера с обратной связью, описываемая уравнениями Р. Лэнга и К. Кобаяши (1) и (2):

|-£-(0 = ЫЮ ■ Е-(0 + 1|с(АГ) - + г ■£•(/- т) • (1)

±N^t)=J-Шí-G(N)■Eil^t), (2)

где - £'*(О = ДОехр(гш0? + г®(О)> Д» - амплитуда комплексного электрического поля Е*(1) внутри лазерного резонатора, соо - резонансная частота резонатора лазерного диода, со(ЛО - частота генерации лазера с обратной связью, Ф(?) - фаза оп-

тических колебаний поля, С(Ы) - коэффициент усиления моды, 7У(/) - концентрация носителей в активной области диода, хр - время жизни фотонов в диодном резонаторе, J - число носителей, инжектируемых в единицу объема за единицу времени (величина, пропорциональная току инжекции), Т;, - время жизни носителей, обусловленное спонтанной рекомбинацией, т - время обхода внешнего резонатора длиной Ь, г — коэффициент обратной связи.

Стационарное решение уравнений (1) и (2) дает зависимость амплитуды ав-тодинного сигнала от времени и уровня обратной связи (3) и (4):

Р(Г,С) = соз(со(/,С)т(0), (3)

со0 = со + 2 • л/ 1 + ос2 • зт(сот + аг^ а). (4)

Функция со(7) находится из фазового уравнения:

со0т = сох + С-зт(сот + \|/), (5)

где — С = т-г-л/1 + а2, С — уровень внешней оптической обратной связи, 1|/ = агс/£ а, а - коэффициент уширения линии генерации.

Влияние уровня обратной связи на форму автодинного сигнала в случае движения объекта по гармоническому закону иллюстрируется рисунком 1. При этом время обхода лазерным излучением внешнего резонатора изменяется по закону:

т(/) = т0+тв-8т(П/ + е), (6)

где О — частота гармонических колебаний объекта, т0 = 2Ыс, та = 2 Ь/с, - амплитуда вибраций объекта, е - начальная фаза колебаний объекта.

Рисунок 1 - Переменная составляющая автодинного сигнала при разных уровнях обратной связи: кривая 1 - С =0.1; кривая 2 — С = 0.5; кривая 3 — С = 0.9.

При увеличении уровня обратной связи изменяется время нарастания и время убывания автодинного сигнала.

В результате компьютерного моделирования при разных уровнях обратной связи, при разных параметрах движения объекта была получена зависимость, приведенная на рисунке 2, — отношение времени убывания амплитуды автодинного сигнала ко времени ее нарастания от уровня обратной связи на временном интервале по которой можно определять уровень обратной связи.

Как было установлено, при вибрациях объекта с нанометровыми амплитудами при минимальном уровне обратной связи в спектре автодинного сигнала присутствует только гармоника на частоте колебания объекта. Поэтому, представляется целесообразным рассмотреть влияние уровня обратной связи на амплитуду гармоники на частоте колебания объекта.

и',..

Рисунок 2 -Зависимость отношения времени убывания ¡¡¡ее ко времени нарастания ¡¡„с функции автодинного сигнала от уровня обратной связи С.

Для описания спектра автодинного сигнала нормированная мощность излучения полупроводникового лазера Д/) может быть представлена в виде разложения в ряд Фурье:

Р(0 = — а0 + ^ {ап сое июГ - Ьп эш пШ}. 2

(7)

Ранее было показано, что амплитуды спектральных составляющих зависят от амплитуды вибраций ^ и уровня внешней оптической обратной связи С. Для определения амплитуды нановибраций используется амплитуда спектральной составляющей автодинного сигнала на частоте колебаний объекта, значение которой также зависит от стационарного набега фазы излучения лазерного диода 9. Графики зависимости амплитуды спектральной составляющей автодинного сигнала на частоте колебаний объекта от 0 и С приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Изображение изолиний амплитуды гармоники (§,0) спектра автодинного сигнала на частоте колебаний объекта при различных уровнях внешней оптической обратной связи С: а - С = 0.0001; б - С = 0.5; в - С = 0.9.

На графиках, представленных на рисунке 3, наименьшему значению амплитуды первой гармоники спектра автодинного сигнала соответствует темная область графика, максимальному значению - светлая область графика (точки М1, М2). Как следует из результатов, приведенных на рисунке 3, при увеличении уровня обратной связи максимальному значению амплитуды первой гармоники соответствуют следующие значения амплитуды вибраций: для точки М1 при С = 0.0001 £,М1 = 96 нм, при С= 0.5 69 нм, при С = 0.9 ^м, = 45 нм; для точки М1. при С = 0.0001 ^ = 96 нм, при С = 0.5 ^ = 121 нм , при С = 0.9 ^ = 140 нм. Т.е., видно, что при увеличении уровня обратной связи происходит значительное смещение максимумов М1 и М2 по оси абсцисс в то время как по оси ординат 9 максимумы смещаются незначительно.

В третьем разделе приведены результаты теоретической разработки и практической реализации метода определения амплитуды нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

Для определения характеристик вибрирующих объектов с нанометровыми амплитудами без учета уровня внешней оптической обратной связи используется метод, основанный на проведении нормировки амплитуды гармоники спектра вибраций отражателя на частоте дополнительных механических колебаний. При проведении измерений регистрируется амплитуда первой гармонической составляющей & спектра автодинный сигнал при искомой амплитуде нановибраций. Далее при наложении дополнительных механических колебаний, последовательно увеличивают их амплитуду до тех пор, пока первая гармоника спектра не достигнет максимума, и фиксируют ее амплитудное значение ^„ах-

Для определения искомой амплитуды колебаний объекта с учетом уровня внешней оптической обратной связи нами предложено построить нормировочную зависимости амплитуды первой гармоники 51 спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение 51тах, от амплитуды нановибраций. Зависимость 5]/5'|тах от может быть построена из соотношения для функции автодинного сигнала (3) при использовании ряда Фурье (7). Эта зависимости при разных уровнях обратной связи приведена на рисунке 4. Зависимости, представленные на рисунке 7, построены при стационарном набеге фазы 9 = 0.5 к, соответствующем максимальному значению первой гармоники спектра автодинного сигнала.

Экспериментальные исследования проводились на полупроводниковом лазерном автодине, в качестве источника излучения которого использовался лазерный диод ЯЬЭ-650 с характеристиками: мощность излучения 5 мВт, длина волны 654 нм.. В качестве внешнего отражателя использовался пьезо-излучатель типа У8В35Е\У0701В.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5. Излучение полупроводникового лазера 1, запитываемого от источника тока 2, направлялось на отражатель 3, закрепленный на пьезокерамике 4, колебания которой возбуждались генератором звуковых колебаний 5. Часть излучения, отраженного от объекта, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 6. Изменение уровня обратной связи производилось путем изменения степени фокусировки пучка лазерного излучения. Сигнал с фотодетектора поступал через широкополосный усилитель 8, содержащий фильтр переменного сигнала 7, на вход аналого-цифрового преобразователя 9 компьютера 10 для сохранения в памяти и последующей обработки.

Рисунок 4 - Зависимость ЗУ&шах от амплитуды вибрации Е, при разных уровнях внешней оптической обратной связи С.

С помощью генератора звуковых колебаний в пьезокерамике вызывались дополнительные механические вибрации, амплитуда которых изменялась во времени. Амплитуда дополнительных вибраций увеличивалась до тех пор, пока амплитуда первой гармоники спектра автодинного сигнала не достигала максимального значения, при котором фиксировался автодинный сигнал. По его спектру определялось максимальное значение амплитуды первой гармоники ^щах. На рисунке 6 а приведены форма одного из измеренных автодинных сигналов при максимальном значении первой спектральной составляющей. Его спектр приведен на рисунке 6 б. Усредненное значение £1тах составило 0.277 отн. ед.

кР((), отн. ед.

Рисунок 5 - Блок-схема установки.

0.01 0 -0.01

1, Р(г), отн. ед.

щ/ ш щ.

0.01

0.02

0.03

^ с

0.01

-0.01 о

0.2 0.1 0,

Амплитуда, отн. ед.

Л-

0.2 0.1 0

0.01 0.02 в

Амплитуда, отн. ед.

0.03

/ кГц

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 и.е /кГц "0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

б г

Рисунок 6 -Автодинный сигнал вибраций объекта (а) с амплитудой вибраций, соответствующей максимальному значению первой гармоники, его спектр (б), автодинный сигнал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой (в) и его спектр (г).

Для определения уровня обратной связи амплитуду дополнительных механических колебаний увеличивали до микрометровых значений. На рисунке 7 приведена форма экспериментального автодинного сигнала при микровибрациях.

' Амплитуда, отн. ед.

0.01

-0.01

5 Ю мс

Рисунок 7 - Измеренный автодинный сигнал при микровибрациях объекта для определения

уровня обратной связи.

Усредненное отношение времени убывания ко времени нарастания составило 0.79. Такому отношению соответствует уровень внешней оптической обратной связи С= 0.53 (рисунок 2).

После исключения дополнительных механических колебаний измерялся автодинный сигнал вибраций объекта с неизвестной нанометровой амплитудой при

вычисленном уровне обратной связи и известных параметрах 51тах и ^тах. Форма и спектр измеренного автодинного сигнала приведена на рисунке 6 в и 6 г соответственно. Усредненное значение амплитуды первой гармоники составило 0.207 отн. ед. Отношение Я/^тах для приведенных экспериментальных автодин-ных сигналов, составило величину 0.75.

Для полученного уровня обратной связи (С = 0.53) была построена нормировочная зависимость ЗУЗ^тах от амплитуды вибрации £,, представленная на рисунке 4, по которой была определена амплитуда нановибраций для автодинного сигнала, приведенного на рисунке 6 в, которая составила 30 нм. Без учета уровня внешней оптической обратной связи (рисунок 4, кривая при С = 0.0001) измеренная описанным выше методом амплитуда нановибраций составила 52 нм.

Результаты измерений амплитуды нановибраций Е, с учетом уровня обратной связи и без его учета для различных уровней обратной связи приведены в таблице 1. Измерения проводились многократно с целью повышения их достоверности. При вычислениях использовались усредненные значения измеренных величин. По результатам измерений при различных уровнях обратной связи среднее значение амплитуды нановибраций составило 29 нм.

Как следует из результатов, приведенных в таблице 1, с ростом уровня обратной связи увеличивается погрешность определения амплитуды нановибраций, по сравнению со случаем, когда влияние обратной связи в автодинной системе на результат измерений учитывается.

Таблица 1

Измеренный уровень обратной связи Значение искомой амплитуды нановибраций £, с учетом уровня обратной связи, нм. Значение амплитуды нановибраций Е, без учета уровня обратной связи, нм. Относительная погрешность определения амплитуды нановибраций 8£, без учета уровня обратной связи, %

С = 0.19 30 36 24

С = 0.39 27 40 38

С = 0.53 30 52 79

Таким образом, в предложенном методе определения амплитуды нановибраций, заключающемся в измерении величины первой гармоники спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение, соответствующее известной амплитуде вибраций и измеряемое при изменении амплитуды возбуждаемых дополнительно механических колебаний, учет уровня внешней оптической обратной связи позволяет значительно повысить точность измерений.

В четвертом разделе приведены результаты теоретической разработки и практической реализации метода определения ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

В случае движения объекта с неравномерно изменяющимся ускорением, время обхода лазерным излучением внешнего резонатора изменяется по закону:

т(0 = - )(Уа + )а(Г)Ж)Л , (8)

с о о

где - начальная скорость движущегося объекта, ? - интервал времени наблюдаемого автодинного сигнала на различных участках движения, <я(?) - ускорение внешнего отражателя, изменяющееся во времени. Переменная нормированная составляющая автодинного сигнала имеет вид:

PC,С)

' cos| oit,C) ■-)(¥„ с о

\a(t)dt)dt ■

(9)

Для нахождения изменяющегося во времени ускорения интервал наблюдения автодинного сигнала (4.3) можно разбить на п временных окон, в пределах каждого из которых значение ускорения а„ можно считать постоянным. В этом случае для каждого и-ого окна переменная нормированная составляющая автодинного сигнала будет иметь вид:

P(t,C) = cos со(t,C)~(V0„-t +

а„ -t

(10)

с 2

Искомая величина ускорения определяется из решения обратной задачи, заключающемся в определении минимума функционала, получаемого при суммировании квадратов разности экспериментальных Ржсп и теоретических Ртеор величин автодинного сигнала для различных временных интервалов:

S(a,V0) = 2(P,Kcn(ti)-P„op(ti,a,V0,C))2. (п)

Объектом исследований было выбрано коммутационное электромагнитное реле типа 904.3747. Для придания якорю электромагнитного реле неравномерного ускорения на реле подавался несимметричный одиночный импульс. Форма импульса задавалась с помощью встроенного в платформу N1 ELVIS генератора импульсов, обеспечивающего нарастание и спад импульса по параболическому закону. Подобная форма импульса, подаваемого на реле, позволила реализовать движение объекта с ускорением, изменяющимся по линейному закону.

При проведении измерений на движущийся якорь реле направлялось лазерное излучение. Излучение, отраженное от поверхности якоря, регистрировалось встроенным фотодетектором. С фотодетектора сигнал через АЦП поступал на компьютер, где и сохранялся для последующей обработки.

Вид измеренных автодинных сигналов при неравномерно ускоренном движении объекта для различных уровней внешней оптической связи приведен на рисунке 8.

Для определения уровней обратной связи в автодинной системе при регистрации автодинных сигналов, приведенных на рисунке 8, был использован метод, предложенный во второй главе диссертационной работы. Для автодинного сигнала, представленного на рисунке 8 а, уровень внешней оптической обратной связи составил величину намного меньшую 1, т.е. С =0.03, для автодинного сигнала на рисунке 8 б уровень обратной связи составил 0.33.

0.15 /,с

Рисунок 8 - Автодинные сигналы при неравномерно ускоренном движении внешнего отражателя при различных уровнях обратной связи С: а - 0.03, б - 0.33.

Для «очистки» измеренного сигнала от высокочастотных составляющих проводилось сглаживание экспериментальной кривой с использованием встроенной функции математического пакета МаМСас1 - кзтооМ. Полученные в результате сглаживания кривые использовались для сравнения с теоретической зависимостью в соотношении (4.6). Для этого весь интервал наблюдения был разделён на несколько временных окон. Необходимо было на каждом временном интервале определить значение параметра а и убедиться в том, что объект исследований совершал неравномерно ускоренное движение. На рисунке 9 показана зависимость изменения ускорения от времени, определённая в результате решения обратной задачи описанным способом.

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

▲ а-10"\ м/с"

□ □ <гг □

[ □

-*■

Рисунок 9 - Изменение ускорения объекта исследований: А - результаты определения ускорения по ав-тодинному сигналу, при уровне обратной связи С =0.03; О - результаты определения ускорения с учетом уровня обратной связи, при С = 0.33; □ - результаты определения ускорения без учета уровня обратной связи в, при С = 0.33; — линейная зависимость, аппроксимирующая результаты определения ускорения при уровне обратной связи С= 0.03.

0.05

0.1

Среднеквадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинно-му сигналу при уровне обратной связи С= 0.03, приведенному на рисунке 8 а, от аппроксимирующей линейной зависимости составило величину 0.012. Среднеквадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинному сигналу при уровне обратной связи С =0.33, приведенному на рисунке 8 б, без учета уровня обратной связи, от аппроксимирующей линейной зависимости составило величину 0.051. Среднеквадратическое отклонение ускорения, определенного по автодинному сигналу при уровне обратной связи С = 0.33, приведенному на рисунке 8 б, с учетом уровня обратной связи, от аппроксимирующей линейной зависимости составило величину 0.014. Из сравнения полученных зависимостей следует, что среднеквадратическое отклонение ускорения от аппроксимирующей линейной зависимости заметно меньше при учете уровня обратной связи.

Таким образом, учет уровня внешней оптической обратной связи в автодин-ном сигнале позволяет повысить точность определения изменяющегося во времени ускорения при неравномерно ускоренных микросмещениях объекта.

В пятом разделе исследована возможность определения формы пульсовой волны лучевой артерии человека по сигналу полупроводникового лазерного автодина. Исследована возможность применения полупроводникового лазерного автодина для оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности по форме пульсовой волны.

Ранее было показано, что наибольшая опасность развития острой сосудистой недостаточности при стрессовых нагрузках имеется при наличии дисплазии соединительной ткани и нарушенной регуляции вегетативной нервной системы. К развитию коллапсоидной реакции может приводить сочетание этих двух факторов даже при отсутствии явно выраженной патологии по каждому из них. Указанные факторы могут быть определены по параметрам пульсовой волны.

В качестве анализируемых параметров пульсовой волны были выбраны следующие показатели: крутизна систолического подъема на участке быстрой и медленной фазы, скорость изменения пульсовой волны на катакроте, вариабельность кардиоинтервалов, определяемая по временным интервалам между максимумами (систолическими значениями) пульсовых волн.

Для анализа крутизны систолического подъема было предложено использовать следующие временные параметры: отношение времени быстрого нарастания давления в систолу ВНбыстр к периоду пульсовой волны - Тпв (параметр П,), отношение времени анакроты ВН к периоду пульсовой волны (параметр П2):

П|= ВНбыстр/ Тпв, (12)

Временные интервалы ВН6ыстр, браженной на рисунке 10 .

П2= ВН/Тпв. ВН и Т

(13)

отмечены на пульсовой волне, изо-

Для анализа формы пульсовой волны использовался амплитудный параметр П3, вычисляемый на её нисходящем участке (катакроте) по модулю второй производной от времени

(1 А/см

1 "

=-х

а2д

а г

(14)

Рисунок 10 - Анализируемые параметры пульсовой волны (обследуемый №1).

где N - количество точек пульсовой волны, в которых вычислялась вторая производная по времени. Пара-

метры Пь П2 и П3 вычислялись как усредненные значения по всем периодам нормированных по амплитуде пульсовых волн.

При наличии отклонений в деятельности сосудистой системы форма пульсовой волны изменяется (рисунок 11). При этом крутизна систолического подъема увеличивается, длительность уменьшается.

При нормальной форме пульсовой волны (рисунок 10) у условно здорового пациента вторая производная на участке катакроты плавно изменяется относительно нуля, что характеризует изменение кривизны и реакцию сосудов на фазы кровенаполнения.

Пульсовая В' Первая производная

Рисунок 11 - Примеры пульсовых волн с отклоне ниями формы: а - обследуемый №2, 6 - обследуемый №3.

формы пульсовой волны в сочетании с можно сделать вывод о риске возникновения сти.

Уменьшение среднего значения второй производной пульсовой волны характеризует уменьшение кривизны формы пульсовой волны и свидетельствует о приближении формы на этом участке к линейному виду, что связано с отклонений в деятельности сосудистой системы

В таблице 2 приведены вычисленные параметры Пь П2 и Пз для трех обследуемых, формы пульсовых волн которых приведены на рисунках 10 и И.

Активность вегетативной регуляции каждого обследуемого определялась по изменению длительности интервалов пульсовой волны и рассчитанным показателям хронотропной структуры сердечного ритма - индексам Баев-ского.

По вычисленным параметрам оценкой типа вегетативной регуляции острой сосудистой недостаточно-

Номер обследуемого п, п2 П3

1 0.19 0.23 27

2 0.1 0.17 7.1

3 0.09 0.11 10.8

Были проведены эксперименты по определению формы пульсовой волны лучевой артерии в области запястья по автодинному сигналу полупроводникового лазера. На рисунке 12 приведены измеренный ав-тодинный сигнал и восстановленная из него форма пульсовой волны. Таблица 2

При работе автодинной системы в режиме слабой обратной связи автодин-ный сигнал приобретает наклон, характеризующий направление движение отражателя. Это позволило решить проблему определения направления движения стенки лучевой артерии при восстановлении функции движения.

Рисунок 12 - Измеренный автодинный сигнал P(t) -а, и восстановленная из него функция движения^') лучевой артерии в области запястья - б.

Примеры пульсовых волн испытуемых А. и Б., восстановленные из измеренных автодинных сигналов, приведены на рисунке 13 (сплошная линия).

Также были проведены измерения пульсовых волн этих испытуемых с помощью пневматического датчика давления (рисунок 13, штриховые линии).

Как следует из результатов, приведенных на рисунке 13, формы пульсовых волн, измеренных разными методами имеют отличия. Это может быть объяснено тем, что лазерный автодинный метод является бесконтактным, тогда как метод, основанный на использовании пневматического датчика давления, контактным, т.е. с ростом давления в манжете (с увеличением воздействия на пульсирующую артерию) форма пульсовой волны может искажаться.

Из анализа рассчитанных по восстановленным формам пульсовых волн параметрам Пь П2 и П3 и индексам Баевского была сделана оценка отсутствия риска возникновения острой сосудистой недостаточности у испытуемых А. и Б..

Таким образом, в работе описан метод восстановления формы пульсовой волны лучевой артерии по сигналу лазерного автодина с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

Показана возможность применения параметров формы пульсовой волны и измеренной вариабельность сердечного ритма для оценки степень риска возникновения острой сосудистой недостаточности.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследовано влияние уровня внешней оптической обратной связи на спектр автодинного сигнала при нановибрациях. Разработан метод определения амплитуды нановибраций объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом уровня внешней оптической обратной связи, основанный на измерении величины первой гармоники спектра автодинного сигнала, нормированной на ее максимальное значение, соответствующее известной амплитуде вибраций и измеряемое при изменении амплитуды возбуждаемых дополнительно механических колебаний. Показано, что предложенный метод позволяет значитель-

Рисунок 13 - Формы пульсовых волн: а - испытуемый А., Ъ -испытуемый - форма пульсовой волны, полученная с помощью автодинной системы; А \ и А2- формы пульсовых волн, измеренные с помощью пневматического датчика при давлении 50 и 70 мм рт. ст. соответственно.

но повысить точность измерений амплитуд нановибраций при учете уровня внешней оптической обратной связи.

2. Исследовано влияния внешней оптической обратной связи на форму авто-динному сигнала полупроводникового лазера при неравномерно ускоренных микросмещениях объекта. Показано, что учет уровня внешней оптической обратной связи в автодинном сигнале позволяет повысить точность определения изменяющегося во времени ускорения при неравномерно ускоренных микросмещениях объекта. При этом, среднеквадратическое отклонение ускорения от аппроксимирующей линейной зависимости заметно меньше при учете уровня обратной связи.

3. Рассмотрена возможность использования полупроводникового лазерного автодина для определения формы пульсовой волны лучевой артерии человека. Показано, что форма пульсовой волны лучевой артерии человека с учетом направления смещения стенки лучевой артерии может быть восстановлена по авто-динному сигналу полупроводникового лазера при учете влияния внешней оптической обратной связи. Установлено, что существенное отличие формы пульсовой волны, восстановленной по сигналу лазерного автодина и с использованием пневматического датчика давления, обусловлено зависимостью формы пульсовой волны от давления в окклюзионной манжете, и отличием в принципе измерения с помощью автодинной системы, позволяющей проводить бесконтактные измерения при отсутствии давления контактирующего датчика на измеряемую область.

4. Проведенные исследования показали, что восстановленная форма пульсовой волны из автодинного сигнала полупроводникового лазера коррелирует с пульсовой волной, измеренной с помощью датчика давления. Восстановленная форма пульсовой волны и измеренная вариабельность сердечного ритма характеризуют степень риска возникновения острой сосудистой недостаточности.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК

1. Усанов Д.А., Скрипеть A.B., Кащавиев Е.О.. Калинкин М.Ю. Измерение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом влияния обратной связи // Письма в ЖТФ. 2012. Том 38, № 12. С. 81-86.

2. Усанов Д.А., Скрипеть A.B., Кащавиев Е.О., Калинкин М.Ю. Определение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом внешней оптической обратной связи // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 9. С. 43-49.

3. Усанов Д.А., Протопопов A.A., Бугаева И.О., Скрипаль A.B., Аверьянов А.П., Вагарин А.Ю., Сагайдачный A.A., Кащавиев Е.О. Устройство оценки риска возникновения сердечно-сосудистой недостаточности при физической нагрузке // Медицинская техника, 2012. №2. С. 34-37.

Тезисы докладов на конференциях

4. Dmitry A. Usanov, Anatoly V. Skripal, Evgenii О. Kashchavtcev. and Michael Yu. Kalinkin Nanovibration amplitude measurement using semiconductor laser autodyne // 10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques - AIVELA 2012/ AIP Conf. Proc. 1457. 2012 P. 156-161

5. Кащавиев E.O.. У санов Д.А., Скрипалъ A.B., Добдин С.Ю.. Метод определения ускорения при микро- и наносмещениях объекта по сигналу лазерного автодина с учетом влияния внешней оптической обратной связи // Тезисы докладов VII Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофото-ника и нелинейная физика». - Саратов: Изд-во. Сарат. ун.-та. 2012. С. 71-72.

6. У санов Д. А., Скрипалъ A.B., Kauiaeuee Е. О. Измерение микросмещений лучевой артерии при прохождении пульсовой волны полупроводниковым лазерным автодином // Материалы Всероссийской молодежной конференции «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2012». - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 221-224.

7. Добдин С.Ю., Кащавиев Е.О.. Астахов Е.И.. Лазерный автодинный измеритель параметров нановибраций, расстояния и ускорений при наносмещениях // Седьмой Саратовский Салон изобретений, инноваций и инвестиций г. Саратов. 20-22 марта 2012. С.59.

8. Усанов Д.А., Скрипалъ A.B., Кащавиев Е.О.. Калинкин М.Ю. Метод определения амплитуд нановибраций по сигналу лазерного автодина с учетом влияния внешней оптической обратной связи // Труды XV-той Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, Нанотехнологии и микросистемы» - Ульяновск: УлГУ, 2012. С. 258-259.

9. Усанов ДА., Протопопов A.A., Скрипалъ A.B., Аверьянов А.П., Сагайдач-ныйА.А., Кащавиев Е.О. Скрининг-диагностика состояния сердечно-сосудистой системы юных спортсменов // V Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» 4-8 июня 2012 г. г. Троицк Московской области. С. 415417.

Подписано в печать 23.11.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная Гарнитура Times. Печать цифровая. Усл.-печ. л. 1.25 Тираж 100 экз.Заказ № 300-Т

Типография Саратовского университета. 410012, Саратов, Б. Казачья, 112А.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кащавцев, Евгений Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ, С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО АВТОДИНА.

1.1 Автодинное детектирование в полупроводниковых лазерах.

1.2 Лазерные автодинные методы для определения характеристик движения внешнего отражателя.

1.3 Лазерные автодинные методы для исследования параметров движения биологических объектов.

2. ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ФОРМУ И СПЕКТР АВТОДИННОГО СИГНАЛА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА.

2.1 Влияние уровня внешней оптической обратной связи на форму авгодинного сигнала.

2.2 Влияние уровня внешней оптической обратной связи на спектр автодинпого сигнала.

3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ НАНОВИБРАЦИЙ С УЧЕТОМ УРОВНЯ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

3.1 Теоретическое обоснование метода определения амплитуды нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи.

3.2 Экспериментальные исследования и результаты.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ ПРИ МИКРОСМЕЩЕНИЯХ ОБЪЕКТА ПО АВТОДИННОМУ СИГНАЛУ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

4.1 Метод определения ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи.

4.2 Экспериментальные исследования и результаты.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО АВТОДИНА ДЛЯ ОЦЕНКИ РИСКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОСТРОЙ СОСУДИСТОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ

ПРИ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ.

5.1 Определение формы пульсовой волны по сигналу полупроводникового лазерного авто дина.

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние внешней оптической обратной связи на определение параметров движений объектов, в том числе биологических, при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера"

Для измерения параметров движения объектов при микро и наносмещениях широкое распространение получили методы, основанные на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах на квантоворазмерных структурах. Автодинные измерительные системы, созданные на основе такого эффекта, по сравнению с интерференционными системами обладают такими улучшенными характеристиками, как малые габариты, вес, низкое энергопотребление.

Важным параметром при проведении измерений характеристик движений объекта с использованием лазерной автодинной системы является уровень внешней оптической обратной связи. В автодинной системе часть излучения возвращается в активную область резонатора, при этом режим, при котором автодинный сигнал аналогичен интерференционному, возможен при уровнях обратной связи, меньших некоторого строго определенного значения. При увеличении уровня обратной связи происходит искажение автодинного сигнала в отличие от случая, когда интерференция происходит в системе, отделенной от источника сигнала развязывающим элементом. Как было показано ранее [1,2], уровень внешней оптической обратной связи оказывает существенное влияние на форму автодинного сигнала полупроводникового лазерного излучателя и, как результат, на точность определения параметров движения отражателя в автодинных системах.

В известных работах [2-18] обычно предполагается, что реализуются условия, когда уровень обратной связи мал. На практике эти условия не всегда могут выполняться, например, при высоком коэффициенте отражения поверхности объекта, параметры движения которого измеряются.

В работе Giuliani G. и др. [18] приведена следующая классификация режимов работы полупроводниковых лазеров с внешней оптической обратной связью: 1 - режим очень слабой обратной оптической связи, функция автодинного сигнала совпадает по форме с функцией интерференционного сигнала в системе с развязкой от источника излучения (симметричная форма); 2 - режим слабой обратной оптической связи, функция автодинного сигнала приобретает небольшие искажения и отклонения от симметричной формы; 3 - режим умеренной обратной оптической связи, функция автодинного сигнала имеет три решения в каждый момент времени, автодинная система становится бистабильной, с двумя устойчивыми решениями и одним нестабильным; 4 - режим сильной обратной оптической связи, функция автодинного сигнала имеет пять решений в каждый момент времени.

Для решения вопроса о необходимости учета уровня внешней оптической обратной связи при определении параметров движения объекта необходимо его знание. В работе [19] предложен метод определения уровня внешней оптической обратной связи, требующий измерения двух автодинных сигналов со сдвигом фазы на п, что является технически довольно сложно реализуемым. В работах 8. БопаН [2,20] для восстановления функции движения объекта предложено оценивать уровень внешней оптической обратной связи по форме автодинного сигнала.

В ряде случаев для определения параметров микровибраций внешнего отражателя влиянием внешней оптической обратной связи можно пренебречь. Однако при определении амплитуды нановибраций такой анализ ранее не проводился. При этом известные методы определения уровня внешней оптической обратной связи при измерениях амплитуды нановибраций не могут быть применены из-за существенного отличия в форме автодинного сигнала. В связи с этим представляет интерес разработка метода определения амплитуды нановибраций с учетом влияния внешней оптической обратной связи лазерного автодина.

Авторами ряда работ [16, 17] показана возможность использования полупроводникового лазера, работающего в автодинном режиме, для определения ускоренного движения объекта, совершающего микроперемещения, в предположении, что влиянием уровня внешней оптической обратной связи на результаты измерений можно пренебречь. При этом анализ влияния внешней оптической обратной связи на форму автодинного сигнала и низкочастотный спектр автодинного сигнала для определения ускоренного движения объекта, совершающего микроперемещения, ранее не проводился.

Полупроводниковый лазерный автодин может быть использован при изучении динамического состояния биологических объектов. С помощью лазерной автодинной системы были проведены исследования биений сердца дафнии, измерение параметров движений барабанной перепонки, измерение внутриглазного давления, измерение микросмещений лучевой артерии человека [21-25].

В настоящее время актуальной остается задача измерения формы пульсовой волны с помощью полупроводникового лазерного автодина. Известные контактные методы измерения формы пульсовой волны, такие как сфигмография, осциллометрический метод, могут вносить погрешность в результат измерений в силу контактного принципа измерения. Бесконтактными методами, позволяющими измерять форму пульсовой волны, являются гомодинные интерференционные методы [26, 27]. Сложная техника измерений и недостаточная точность указанных методов затрудняют их применение для анализа состояния сердечнососудистой системы. Авторы [24] сравнивают зависимость от времени изменения частоты доплеровского сигнала, измеренного при смещениях стенки лучевой артерии, с первой производной сигнала датчика кровяного давления, измеряемого на среднем пальце руки, которая также пропорциональна скорости смещения стенки лучевой артерии. Авторы работы [25] по доплеровскому сигналу определяли зависимость изменения скорости смещения стенки лучевой артерии от времени при прохождении пульсовой волны. При этом отмечалось, что по доплеровскому сигналу [24, 25] не удается определить направление смещения поверхности кожи, что затрудняет восстановление формы пульсовой волны.

В связи с этим актуальной является задача по восстановлению формы движения отражателя, в качестве которого может выступать, в частности, поверхность кожи над артерией человека, с учетом определения направления смещения и с использованием полупроводникового лазерного автодина.

1. Определение параметров внешней оптической обратной связи по автодинному сигналу полупроводникового лазера.

Новизна исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

4. Предложенные методы определения параметров нановибраций и ускорения при нано- и микросмещениях могут найти применение для диагностики характеристик движения отражающих объектов в биологии и медицине.

5. Полученные в диссертационной работе результаты использованы при выполнении НИР в рамках государственного задания ВУЗам на выполнение НИР («Биоинформационные технологии оценки состояния подсистем организма человека и биологических объектов», 2011. Государственный контракт № 16.740.11.0500. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г.г.; «Разработка научно-методического обеспечения скрининг диагностики функционального состояния обучающихся для выявления опасности развития коллапсоидальных осложнений на основе специализированных аппаратно-программных комплексов», 2009-2011. № 2.2.3.3/6837. Аналитическая ведомственная целевая программа "Развитие научного потенциала высшей школы»).

6. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы , будут использованы в учебном процессе для подготовки магистров, обучающихся по направлению «Физика» и магистерской программе «Медицинская физика», по дисциплине «Оптические методы функциональной диагностики сердечно-сосудистой системы», изучаемой студентами дневного отделения факультета нано- и биомедицинских технологий СГУ.

На защиту выносятся следующие положения:

• Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting (г. Саратов 2011);

• VII Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (г. Саратов 2012);

• V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (г. Троицк, Московская область, 2012);

• 10th International Conference on Vibration Measurements by Laser and Noncontact Techniques - AIVELA 2012 (Ancona, Italy, 2012);

• XIV Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2012),

• Всероссийской молодежной конференции «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине» (г. Саратов, 2012);

• VI Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» г. Саратов, 2012);

• Международной школе для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике Saratov Fall Meeting г. Саратов, 2012).

Личное участие автора в этой работе выразилось в теоретической разработке и практической реализации метода определения амплитуды нановибраций с учетом уровня внешней оптической обратной связи, теоретической разработке и практической реализации метода определения изменяющегося во времени ускорения при микросмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи, применении полупроводникового лазерного автодина для определение формы пульсовой волны лучевой артерии человека по сигналу полупроводникового лазерного автодина, с возможностью использования полученных результатов для оценки риска возникновения острой сосудистой недостаточности, участии в формулировании научных положений и выводов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет ШО страниц машинописного текста, включая 28 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 134 наименования и изложен на 15 страницах.

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

Основные результаты опубликованы в работах [112, 119, 128-134].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кащавцев, Евгений Олегович, Саратов

1. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Авдеев К.С. Изменение спектра сигнала лазерного полупроводникового автодина при фокусировке излучения // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Том 17. № 2. С. 54-65.

2. Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser diode feedback interferometer for measurements of displacements without ambiguity// IEEE J. Quantum Electron. 1995. Vol. 31, №1. P. 113-119.

3. Donati S., Fazolini L., Merlo S. A PC-Interfaced, compact laser-diode feedback interferometer for displacement measurement // IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement. 1996. Vol. 45. №6. P 942-947.

4. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Измерение нанометровых вибраций полупроводниковым лазером на квантоворазмерных структурах, работающим в автодинном режиме // Письма в ЖТФ. 2003. №9. С.51-57.

5. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Авдеев К.С. Определение расстояния до объекта с помощью частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2007. Том 33. Вып 21. С. 72-77.

6. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Измерение микро- и нановибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов // Квантовая Электроника. 2011. Том 41. № 1. С. 86-94.

7. Plantier G., Servagent N., Bosch Т., Sourice A. Real-Time Tracking of Time-Varying Velocity Using a Self-Mixing Laser Diode // IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement. 2004. Vol. 53, №1. P. 109-115.

8. Norgia M., Giuliani G., Donati S. Absolute Distance Measurement With Improved Accuracy Using Laser Diode Self-Mixing Interferometry in a Closed Loop // IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement. 2007. Vol. 56. №5. P. 1894-1900.

9. Bosch Т., Servagent N. Optical feedback interferometry for sensing application // Opt. Eng. 2001. Vol. 40. №1. P. 20-27.

10. O.Giuliani G., Bozzi-Pietra S. Donati S. Self-mixing laser diode vibrometer // Meas.Sci.Technol. 2003. Vol. 14. P. 24-32.

11. Norgia M., Donati S. A Displacement-Measuring Instrument Utilizing Self-Mixing Interferometry // IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement. 2003. Vol. 52. №6. P. 1765-1770.

12. Donati S., Merlo S., Micolano F. Feedback interferometry with semiconductor laser for high resolution displacement sensing // SPIE Vol. 2783. 1996. P. 203-210.

13. Scalise L., Yu Y., Giuliani G., Plantier G., Bosch T. Self-Mixing Laser Diode Velocimetry: Application to Vibration and Velocity Measurement // IEEE Transactions On Instrumentation And Measurement. 2004. Vol. 53. №1. P. 223-232.

14. Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser diode feedback interferometer for measurements of displacements without ambiguity// IEEE J. Quantum Electron. 1995. Vol. 31, №1. P. 113-119.

15. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение ускорения при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах // Письма в ЖТФ. 2010. №21. С.78-84.

16. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение ускорения при неравномерно ускоренных микро- и наносмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 10. С. 51-54.

17. Giuliani G., Norgia M., Donati S. and Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing application // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4. P. 283-294.

18. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Калинкин М.Ю. Восстановление формы сложного движения объекта по сигналу автодинного детектирования полупроводникового лазера//ЖТФ. 2000. Той 70, №2. С. 125-129.

19. Merlo S., Donati S. Reconstruction of displacement waveforms with a single cannel laser diode feedback interferometer// IEEE J. Quantum Electron. 1997. Vol. 33. №4. P. 527-531.

20. Usanov D.A., Skripal Al.V., Usanov A.D., Skripal An.V., Abramov A.V. Laser diagnostics of daphnia oscillations// Proc. SPIE. 2001. Vol. 4241. P. 25-31. (Ophthalmic Technologies in Biophysics and Medicine II; V.V. Tuchin, Ed.)

21. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Усанова Т.Б., Добдин С.Ю. Метод измерения внутриглазного давления с помощью полупроводникового лазерного автодина//Письма в ЖТФ. 2012. Том 38, выпуск 3. С.69-74.

22. Hast J., Myllyla R., Sorvoja H., Miettinen J. Arterial pulse shape measurement using self-mixing effect in a diode laser // Quantum Electronic2002. Vol. 32. No. 11. P. 975-980.

23. Meiges K., Hiurikus H., Kattai R., Lass J. Self-mixing in a diode laser as a method for cardiovascular diagnostics // Journal of Biomedics Optics. 2003. Vol. 8. №1. P. 152-160.

24. Ul'yanov S.S., Ryabukho V.P., Tuchin V.V. Speckle interferometry for biotissue vibration measurement // Opt. Eng. 1994. Vol.33, №3. P. 908-914.

25. Аксёнов Е.Т., Мокрова Д.В., Кафидова Г.А. Дифференциальный оптический спекл-датчик формы пульсовой волны // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. №2. С. 60-64.

26. Ashby D.E., Jephcott D.F. Measurement of plasma density using a gas laser in infrared interferometer// Appl.Phys. 1963. Vol. 3. №7. P. 13-15.

27. Белоусова И.М., Данилов О.Б., Запрягаев А.Ф. Исследование спектра излучения He-Ne ОКГ при амплитудной модуляции обратным сигналом с доплеровским сдвигом частоты// ЖТФ. 1971. Т.41, №5. С. 1028-1033.

28. Rudd M J. A laser Doppler velocimeter employing the laser as a mixer-oscillator //J.Phys.El. 1968. P.723-726.

29. Берштейн И.JI. Воздействие отраженного сигнала на работу лазера // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. №4. С. 526-530.

30. Берштейн И.Л, Степанов Д.П. Обнаружение и измерение малых обратных отражений лазерного излучения. // Радиофизика. 1973. Т. 16. №4. С. 532 535.

31. Seko A., Mitsuhashi Y. Self-quenching in semiconductor lasers and its applications in optical memory readout // Appl. Phys. 1975. Vol. 27. №3. P. 140-141.

32. Morikawa T., Mitsuhashi Y. Return-beam-induced oscillations in self-coupled semiconductor lasers // Electron. Lett. 1976. Vol. 12. №17. P. 435436.

33. Burke W.J., Ettenberg M., Kressel H. Optical feed-back effects in CW injection lasers // Appl.Opt. 1978. Vol. 17. №14. P. 2233-2238.

34. Казаринов Р.Ф., Сурис P.А. Гетеродинный прием света инжекционным лазером И ЖТФ. 1974. Т.66., №3. С. 1067-1078.

35. Басов Н. Г., Морозов В. Н. Теория динамики инжекционных квантовых генераторов// ЖТФ. 1969. Т.57. С. 617-627.

36. Басов Н. Г., Морозов В. Н., Ораевский А. Н. К теории динамики одномодового квантового генератора// Квант, эл-ка. 1974. Том 1. №10. С. 2264-2274.

37. Гершензон Е.М., Туманов Б.Н., Левит Б.И. Автодинные и модуляционные характеристики инжекционных полупроводниковых лазеров//Изв. вузов. Радиофизика. 1980. Том 23. №5. С. 535-541.

38. Левит Б.И. Исследование автодинного эффекта в квантовых генераторах: Дис. канд. физ.-мат. наук. Н.Тагил: НГПИ. 1981. 193 с.

39. Salathe R., Voumard С., Weber Y. Rate equation approach for diode lasers // Opto-electron. 1974. №6. P. 451-456.

40. SaIathe R. Diode lasers coupled to external resonators// Appl. Phys. 1979. Vol. 20. №1. P. 1-18.

41. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М: Наука, 1983.294 с.

42. Ривлин Л.А. Динамика излучения полупроводниковых квантовых генераторов. М.: Сов.радио, 1976. 175 с.

43. Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.: Наука, 1976. 416 с.

44. Ривлин Л.А., Семенов А.Т., Якубович С.Д. Динамика и спектры излучения полупроводниковых лазеров. М.: Радио и связь, 1983. 208 с.

45. Гершензон Е.М., Калыгина В.М., Левит Б.И., Туманов Б.Н. Резонанс релаксационных колебаний в автодинных генераторах // Изв. вузов. Радиофизика. 1981. Том 24. №8. С. 1028-1034.

46. Lang R., Kobayashi К. External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties// IEEE J. Quantum Electron. 1980. Vol. QE-16. P. 347-355.

47. Shore K. A. Non-linear dynamics and chaos in semiconductor laser devices. // Solid state Electron. 1987. P. 59-68.

48. Mork J., Tromborg В., Christiansen P. L. Bistability and low-frequency fluctuations in semiconductor lasers with optical feedback: a theoretical analysis// IEEE J. Quantum Electron. 1988. Vol. 24. P. 123-133.

49. Tromborg В., Mork J. Nonlinear Injection Locking Dynamics and the onset of coherence collapse in external cavity lasers// IEEE J. Quantum Electron. 1990. Vol. QE-26. P. 642-650.

50. Henry С. H. Theory of linewidth of semiconductor lasers// IEEE J. Quantum Electron, 1982. Vol. QE-18. P. 259-264.

51. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур// Физика и техника полупроводников, 1998. Т. 32, №1. С. 3-18.

52. Леденцов Н.Н., Устинов В М., Щукин В.А., Копьев П.С., Алферов Ж.И., Бимберг Д. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры// Физика и техника полупроводников. 1998, Том 32, №4. С. 385-410.

53. Hess К., Vojak В. A., Holonyak N., Jr., Chin R. Temperature dependence of threshold current for a quantum-well heterostucture lasers // Sol. St. Electron. 1980. Vol.23, №6-E. P. 585.

54. Жуков A.E., Ковш A.P., Устинов B.M. Температурная зависимость усиления лазеров на основе массивов квантовых точек с неоднородно уширенной плотностью состояний // Физика и техника полупроводников. 1999. Том 33, № 11. С. 1395-1400.

55. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Калинкин М.Ю. Восстановление формы сложного движения объекта по сигналу автодинного детектирования полупроводникового лазера//ЖТФ. 2000. Том 70. № 2. С. 125-129.

56. Усанов Д. А., Скрипаль А.В., Калинкин М.Ю. Формирование автодинного сигнала в полупроводниковом лазере при движении внешнего отражателя // Изв. Вузов «Прикладная нелинейная динамика». 1998. Т.6. №1. С.3-9.

57. Скрипаль А.В., Усанов Д.А., Вагарин В.А., Калинкин М.Ю. Автодинное детектирование в полупроводниковом лазере при движении внешнего отражателя //ЖТФ. 1999. Т.69. №1. С.72-75.

58. Koelink M.H., Slot M., F.F.de Mul, et.al. Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fiber-coupled semiconductor laser: theory // Appl.Opt. 1992. - V.31. - P.3401-3408.

59. Jentink H.W., F.F. de Mul, et.al. Small laser Doppler velocimetr based on the self-mixing effect in diode laser. // Appl.Opt. 1988. - V.27. - P.379-385.

60. Shinohara S., Mochizuki A., Yoshida H., Sumi M. Laser Doppler velocimeter using the self-mixing effect of a semiconductor laser diode. // Appl.Opt. 1986. - V.25. - P.1417-1419.

61. Koelnik M.H. Direct-contact and self-mixing laser Doppler blood flow velocimetry // Ph.D. Thesis, Twenty University of Technology, Enschede. -1993. P.240.

62. Shimizu E.T. Directional discrimination in the self-mixing type laser Doppler velocimeter. // Appl.Opt. 1987. - V.26. - P.4541-4544.

63. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Камышанский A.C. Измерение скорости движения объекта по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах // Микросистемная техника. 2004. №2. С. 19-23.

64. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Камышанский A.C. Измерение скорости нанометровых перемещений по спектру автодинного сигнала лазера на квантоворазмерных структурах // Письма в ЖТФ. 2004. №7. С.77-82.

65. Патент на изобретение РФ №2247395. Способ измерения скорости движения объекта / Усанов Д.А., Скрипаль А.В, Камышанский A.C. Опубл. 27.02.2005. Бюл. №6 (Пол. решение по заявке №2003125238 от 14.08.2003 г.)

66. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Камышанский A.C. Нахождение амплитуды нановибраций по двум спектральным составляющим полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2006. Том 32. Вып 17. С. 42-49.

67. Усанов Д.А., Скрипаль Ан.В., Добдин С.Ю. Определение характеристик колебаний упругой сферической оболочки, заполненной несжимаемой жидкостью, с помощью полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2011. №18. С.65-72.

68. Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Определение характеристик вибраций микрообъектов с помощью лазерного излучения // Микросистемная техника. 2003. №7. С.34-42.

69. Norgia M., Magnani A., Pesatori A. High resolution self-mixing laser rangefinder // American Institute of physics. Review Of Scientific Instruments. 2012. View online: http://dx.doi.Org/10.1063/l.3703311.

70. Marier Т., Gornik E. Integrated sensor chip for interferometric displacement measurement // Electronic Letters. 2000. Vol. 36. №9. P. 792-794.

71. Соболев B.C., Кащеева Г.А. Активная лазерная интерферометрия с частотной модуляцией // Автометрия. 2008. Т. 44. № 6. С. 49-65.

72. Tromborg В., Osmundsen J. Н., Olesen Н. Stability analysis for a semiconductor laser in an external cavity// IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol.QE-20. P. 1023-1032.

73. Olesen H., Osmundsen J. H., Tromborg B. Nonlinear dynamics and spectral behavior for an external cavity laser// IEEE J. Quantum Electron. 1986. Vol.22. P. 762-773.

74. Усанов Д. А., Скрипаль Ал. В., Скрипаль Ан. В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. 312 с.

75. Грей Э., Мэтыоз Г.Б. Функции Бесселя и их приложения к физике и механике. Пер. с англ. М.:Изд. Иностранной литературы. - 1949. -386 с.

76. Sudarshanam V.S., Srivasan К. Linear readout of dynamic phase change in a fiber-optic homodyne interferometer. // Opt.Lett. 1989. - V.14. - P. 140-142.

77. Vikram C.S., McDevitt Т.Е. Simple spectrum analysis in laser Doppler studies of sinusoidal vibrations. // Opt.Eng. 1989. - V.28. - P.922-925.

78. Pernick В J. Self-consistent and direct reading laser homodyne measurement technique. // Appl.Opt. 1973. - V.12. - P.607-610.

79. Sudarshanam V.S., Srivasan K. Universal phase calibrating technique for a fiber-optic homodyne interferometer. // Opt.Lett. 1989. V.14. - P. 12871289.

80. Вагарин В.А., Скрипаль A.B., Усанов Д.А. Об ограничениях в применении спектрального метода определения амплитуды вибраций. // Автометрия. 1994. №1. - С .89-90.

81. Вагарин В.А. Исследование интерференции оптического излучения в гомодинной лазерной системе с вибрирующим отражателем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Саратов. - 1996.

82. Камышанский А.С. Исследование параметров сложных движений отражающих объектов, в том числе биологических, по автодинному сигналу полупроводникового лазера. Диссертация на соискание ученой степени кан. физ.-мат. наук. Саратов. - 2006.

83. Авдеев К.С. Автодинный эффект в полупроводниковых лазерах в условиях токовой модуляции и при движущемся отражателе. Диссертация на соискание ученой степени кан. физ.-мат. наук. -Саратов. 2008.

84. Fercher A. F., Ни Н. Z., Steeger P. F., Briers J. D. Eye deformation measurement by laser interferometry// Opt. Acta. 1982. Vol.29, №10. P. 1401-1406.

85. Pierattini G. Real-time and double-exposure microholographic interferometry for observing the dynamical of phase variations in transparent specimens// Opt. Comm. 1972. Vol.5, №1. P. 41.

86. Ulyanov S. S. Speckle-interferometry and Doppler diagnostics of scattering microflows// Optics and Spectroscopy. 2003. Vol.94, №1. P. 88-92.

87. Ryabukho V. P., Tuchin V. V., Ul'yanov S. S., Zimnyakov D. A. Coherent Optical Techniques in Biomedical Diagnostics// Proc. SPIE. 1994. Vol. 2100. P. 19-29.

88. Кикнадзе Г. С., Есаков Б. П., Кузьминых С. Б., Комаров В. М. Опыт оценки степени загрязнения водной среды по изменениям периода биения сердца дафнии./ Научный центр биологических исследований АН СССР. Пущино, 1983. 13 с.

89. Колупаев Б. И. Метод биотестирования по изменению дыхания и сердечной деятельности у дафний// Методы биотестирования вод./Отв. ред. А.И. Крайнюкова. Черноголовка, 1988. 103 с.

90. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Вагарин А.Ю., Скрипаль Ан.В., Потапов В.В., Шмакова Т.Т., Мосияш С.С. Лазерная автодинная интерферометрия динамических параметров биообъектов // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24. Вып.5. С.39-43.

91. Усанов Д. А., Скрипаль Ал. В., Вагарин А. Ю., Скрипаль Ан. В., Потапов В. В., Шмакова Т. Т., Мосияш С. С. Лазерный автодинныйметод контроля динамического состояния биообъектов// Конверсия. 1997. №10. С. 53-55.

92. Патент РФ №2155335. Способ определения влияния вредного воздействия на биообъекты/ Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Опубл. 27.08.2000. Бюл. №24.

93. Патент РФ №2258462. Способ измерения амплитуды колебаний барабанной перепонки / Усанов Д.А., Мареев О.В., Скрипаль Ан.В, Феклистов В.Б., Камышанский A.C. Опубл. 20.08.2005. Бюл. №23. (Пол. решение по заявке №2004103572 от 10.02.2004 г.)

94. Мареев Г.О., Скрипаль A.B., Усанов Д.А. Использование автодинного эффекта в полупроводниковых лазерах для регистрации наносмещений биологических объектов // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. №1. С. 31-38.

95. Мареев О.В., Мареев Г.О., Усанов Д.А., Скрипаль A.B. Исследование подвижности барабанной перепонки лазерным автодинным методом у отологически нормальных лиц и при различной патологии уха // Практическая медицина. -2012. №1(56). - С.116-119.

96. Усанов Д.А., Мареев О.В., Скрипаль A.B., Мареев Г.О. Лазерные автодинные измерения параметров движений барабанной перепонки // Российский журнал биомеханики. 2012. Т.16. №1(55). С. 8-21.

97. Self-mixing interferometry and its applications in noninvasive pulse detection. Jukka Hast // Oulu. University Press Oulu. 2003/ ISBN 951-426972-1/

98. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Кащавцев E.O., КалинкинМ.Ю. Измерение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом влияния обратной связи // Письма в ЖТФ. 2012. Том 38, №12. С. 81-86.

99. Yu Y., Giuliani G., Donati S. Measurement of the linewidth enhancement factor of semiconductor lasers based on the optical feedback self-mixingeffect // IEEE Photonics Technology Letters. 2004. Vol. 16. No. 4. P 990992.

100. Гурский Д., Турбина E. Вычисления в Mathcad 12. Питер, 2006. 544 с.

101. Валтнерис А.Д. Сфигмография при гемодинамических измерениях в организме//Риж. мед. ин-т. Рига: Зинатне, 1976. 166 с.Иб.Явелов И.С., Рогоза А.Н. О новых возможностях сфигмографии высокого разрешения // Функциональная диагностика. 2009. № 2. С. 8286.

102. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Рытик А.П. и др. Диагностика риска развития коллапсоидных осложнений в группе студентов с аномальной сердечно-сосудистой реакцией // Саратовский научно-медицинский журнал. 2010. Т. 6,№З.С. 615-619.

103. Ulyanov S.S.; Tuchin V.V.; Kuzmin S.Y.; Bednov A.A. Teaching of optical diffraction methods in biomedicine to undergraduates specializing in optics// SPIE Vol. 2525. 1995. P. 117-122.

104. Усанов Д.А., Протопопов A.A., Скрипаль A.B., Аверьянов А.П. Кащавцев Е.О. и др. Устройство оценки риска возникновения сердечнососудистой недостаточности при физической нагрузке // Медицинская техника, 2012. №2. С. 34-37.

105. Смирнов И.В., Старшов А.М. Функциональная диагностика. ЭКГ, реография, спирография. -М.: Эксмо, 2008. 224 с.

106. Михайлов В.М. Нагрузочное тестирование под контролем ЭКГ: велоэргометрия, тредмилл-тест, степ-тест, ходьба Иваново: ООО «А-Гриф», 2005. 440 с.

107. Шиляев Р.Р., Шальнова С.Н. Дисплазия соединительной ткани и ее связь с патологией внутренних органов у детей и взрослых // Вопросы современной педиатрии. 2003. Т.2, №5. С.61-67.

108. Коркушко О.В., Писарук А.В., Шатило В.Б., Лишневская В.Ю., Чеботарев Н.Д., Погорецкий Ю.Н. Анализ вариабельности ритма сердца в клинической практике Киев, 2002. 192 с.

109. Баевский P.M., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе М.: Наука, 1984. 221 с.

110. Усанов Д.А., Скрипаль A.B., Кащавцев Е.О., Калинкин М.Ю. Определение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом внешней оптической обратной связи // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 9. С. 43-49.

111. Добдин С.Ю., Кащавцев Е.О., Астахов Е.И. Лазерный автодинный измеритель параметров нановибраций, расстояния и ускорений при наносмещениях // Седьмой Саратовский Салон изобретений, инноваций и инвестиций г. Саратов. 20-22 марта 2012. С.59.